基于CFD技术的高效叶栅耦合颤振分析方法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaDec．252014V01．35No．123232．3243ISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：Ehkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn基于CFD技术的高效叶栅耦合颤振分析方法苏丹1，张伟伟1’*，全金楼1，马明生2，叶正寅11．西北工业大学翼型叶栅空气动力学国家重点实验室，陕西西安7100722．中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，四川绵阳621000摘要：为了考虑叶轮机叶片结构与流体之间的耦合效应，同时提高叶轮机颤振数值研究的效率，发展了一

2、种基于非定常气动力降阶模型(ROM)的叶栅耦合颤振分析方法。该方法运用时域计算流体力学(CFD)技术计算少数几个叶片的非定常气动力，通过系统辨识及一些假设构建整个叶栅振动的非定常气动力降阶模型，并在状态空间耦合叶栅结构动力学方程建立叶栅气动弹性方程，采用特征值和时域仿真分析该系统稳定性。运用该降阶耦合方法对STCF4(StandardTestConfiguration4)以及NASARotor67叶栅系统的稳定性进行了计算。通过与直接计算流体力学／计算结构动力学(CFD／CSD)耦合方法和非耦合方法计算结果的比较验证了该方法的准确性，且该降价耦合方法的计算效率相对于直接CFD／

3、CSD耦合方法提高了1～2个量级，为叶轮机气动弹性参数研究、失谐研究以及多模态耦合计算等提供了便利。关键词：叶栅；气动弹性；颤振；降阶模型；计算流体力学；耦合方法中图分类号：V211．47文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)12—3232—12现代叶轮机械的设计性能不断提高，叶轮机叶片表面的工作载荷也随之增加，而叶片却越来越轻、越薄，发生颤振的可能性日渐增大。叶轮机叶片颤振是一种典型的气动弹性现象，它能使叶片在短时间内发生破坏，危害性非常大，避免叶片颤振已成为现代高性能叶轮机设计中的一个重要环节。研究叶片颤振特性的方法通常有经验法[1]和数值方法[2f3]。经

4、验法在大量实验数据及工程经验的基础上依靠经验公式及简化模型来进行叶栅颤振的预测，在现代高性能叶轮机设计环节中存在一定的局限性。随着计算机的发展和数值模拟技术的提高，数值方法H3在叶轮机气动弹性分析领域发挥着越来越重要的作用。叶轮机颤振分析的数值方法可分为非耦合方法和耦合方法∞]。非耦合方法不考虑结构和流体之间的互相作用，认为叶片的固有频率和模态振型不受气动力的影响，叶片质量比较大时能较为准确地预测系统的颤振特性。非耦合方法计算量相对较小，近年来仍被广泛用于叶轮机气动弹性分析。能量法卟。71是最为常见的非耦合方法，它通常结合行波模型[83用于叶轮机单自由度(或单模态)颤振分析。由

5、于未来叶轮机械设计指标的进一步提升，轻质材料的使用以及压比的进一步提高，使得质量比减小，流体和结构的耦合效应增强，传统非耦合方法的合理性有待进一步验证。Bendiksen和Friedmann[93认为结构／流体之间的耦合影响叶收稿日期：2014—01．08；退修Et期：2014—02—28；录用El期：2014—04—24；网络出版时间：2014-06-0310：57网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／11．1929．V．20140603．1057．001．htmI基金项目：国家自然科学基金(11172237)*通讯作者．Tel：029-8848134

6、2E—mail：aeroelastic@nwpuedu．cn}

7、壤格武ISuD．ZhangWW。QuanJL．eta1．AnefficientcoupledmethodofcascadeflutteranalysisbyusingCFDtechnique￡∞．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2014．35(12)：3232-3243。苏丹。张伟伟．全金楼．等．基fCFD技术的高效叶栅藕合颧振分析方法￡Jj．航空学报，2014．35(12)：3232-3243．苏丹等：基于CFD技术的高效叶栅耦合颤振分析方法栅的颤振边界，且弯曲／扭转耦合效

8、应能显著地改变典型叶栅的稳定性。考虑到流体和结构的交互影响，在现代计算能力不断提高的前提下，越来越多的研究者采用耦合方法分析叶栅的气动弹性特性，该方法能更准确地反映整个叶栅系统颤振的机理[10

9、，且能针对多模态耦合问题进行研究。早先的研究者通常采用的是基于计算流体力学／计算结构动力学(CFD／CSD)直接耦合方法[11’13]，该方法是同时对流体域和结构域进行求解，并且每一时间步都在流固耦合界面上直接交换或顺序交换信息，实现流体／结构的交互影响，或者通过建立统一的流体／结构耦合方程并采用同一